Обычно информация «записывается» на угловой момент вращения фотона в квантовых системах связи. В этом сценарии фотоны либо совершают правое или левое круговое вращение, либо объединяются, образуя двумерное изображение. кубит, квантовая суперпозиция двух. Информация также может храниться об орбитальном угловом моменте фотона, который свет проходит по штопору по мере своего продвижения, пока каждый фотон вращается вокруг центра луча.
Кубиты и кудиты распространяют информацию, хранящуюся в фотонах, из одной точки в другую. Основное отличие состоит в том, что кудиты могут нести гораздо больше информации на том же расстоянии, чем кубиты, что обеспечивает основу для турбонаддува следующего поколения. квантовая связь.
В новом исследовании квантовые ученые из Технологический институт Стивенса продемонстрировали метод кодирования большего количества информации в один фотон, открыв дверь для еще более быстрых и мощных инструментов квантовой связи. Они также показывают, что могут создавать и управлять отдельными летающими кудитами, или «извилистыми» фотонами, по требованию.
Ичен Ма, аспирант Лаборатории нанофотоники Штрауфа, сказал: «Обычно спиновый угловой момент и орбитальный угловой момент являются независимыми свойствами фотона. Наше устройство является первым, демонстрирующим одновременный контроль обоих свойств посредством контролируемой связи между ними. Очень важно, что мы показали, что можем делать это с помощью одиночных фотонов, а не классических световых лучей, что является основным требованием для любого приложения квантовой связи».
«Кодирование информации в орбитальный угловой момент радикально увеличивает объем передаваемой информации. Использование «извилистых» фотонов может повысить пропускную способность инструментов квантовой связи, что позволит им передавать данные гораздо быстрее».
Ученые использовали пленку диселенида вольфрама толщиной в атом для создания извилистых фотонов, чтобы создать квантовый излучатель, способный излучать одиночные фотоны. Затем они соединили квантовый излучатель с внутренним отражающим пространством в форме пончика, называемым кольцевым резонатором. Путем точной настройки расположения излучателя и зубчатого резонатора можно использовать взаимодействие между вращением фотона и его орбитальным угловым моментом для создания отдельных «извилистых» фотонов по требованию.
Ключом к реализации этой функции блокировки спинового импульса является шестеренчатый рисунок кольцевого резонатора, который при тщательной разработке конструкции создает извилистый вихревой луч света, который устройство испускает в Скорость света.
Интегрируя эти возможности в один микрочип размером всего 20 микрон — примерно четверть ширины человеческая прическа — команда создала излучатель извилистых фотонов, способный взаимодействовать с другими стандартизированными компонентами как часть системы квантовой связи.
Ma — сказал, «Некоторые ключевые проблемы остаются. В то время как технология команды может управлять направлением спирали фотона — по часовой стрелке или против часовой стрелки — требуется дополнительная работа, чтобы контролировать точное число мод орбитального углового момента. Эта критическая возможность позволит «записывать» теоретически бесконечный диапазон различных значений, а затем извлекать их из одного фотона. Последние эксперименты в лаборатории нанофотоники Штрауфа показывают многообещающие результаты, что вскоре эту проблему можно будет решить».
«Дальнейшая работа также необходима для создания устройства, которое может создавать скрученные фотоны со строго согласованными квантовыми свойствами, то есть неразличимые фотоны — ключевое требование для обеспечения возможности квантовый интернет. Такие проблемы затрагивают всех, кто работает в области квантовой фотоники, и для их решения могут потребоваться прорывы в материаловедении».
«Впереди много испытаний. Но мы продемонстрировали потенциал для создания квантовых источников света, которые более универсальны, чем все, что было возможно ранее».
Справочник журнала:
- Йичен Ма и др., Встроенная спин-орбитальная синхронизация квантовых излучателей в 2D-материалах для кирального излучения, Оптика (2022). ДОИ: 10.1364/ОПТИКА.463481
